湖库富营养化水体移动式水质净化平台关键技术构建研究

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(长江科学院 a.流域水环境研究所；b.流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

我国湖库水体富营养化的程度和范围呈快速发展趋势，形势十分严峻。湖泊富营养化比例在20世纪70年代、80年代和90年代分别为41%，61%，77%[1]。2007—2010年的湖泊水质调查结果显示，我国85.4%的大型浅水湖泊超过了富营养化标准，其中40.1%为重度富营养化[2]。湖库水体富营养化恶化水质，诱发“水质性”缺水危机，降低水资源综合利用效率和安全供水保障能力，极大削弱了水资源对国民经济社会发展的战略支撑作用。

水体富营养化防治通常采用藻类控制和过量氮磷等营养物质削减相结合的方式。对藻类控制来说，通常采用打捞、机械除藻或化学除藻等方法；过量营养物质削减，大多采用清水稀释、植物吸收净化等措施。这些藻类防治措施耗时耗力，应急处置能力较差；过量营养物质削减通常需要配套建设引水工程或植物修复工程，引水工程耗费大量清水，植物修复见效慢。由此可见，在外源截污背景下，采用合适的工艺方法快速削减水体中的氨氮和磷，将其带离湖库水体，使湖库水体从整体上得到快速净化，使水体中的的氨氮和磷含量降低至可接受水平，是今后治理河湖富营养化问题的重要方向。

湖库水体富营养化通常易在水流缓慢的湖汊和库湾发生，难以将水体抽取后净化，但适合采用移动式水质净化技术实施原位处理。目前，挪威的M.KALDNES和SINTEF研究提出一种生物移动床(MBBR)技术[3]，整合曝气生物滤池和活性污泥法优点，在曝气池中投加悬浮填料，有效提高生活污水及工业废水的脱氮除磷效果。针对分散式生活污水，栾永翔等研究提出车载移动式污水处理系统，利用曝气和沉淀处理农村生活污水，出水TN和TP优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级A排放标准[4]。此外，近年来，国内外还普遍采用生物浮岛进行河湖污染水体生态修复，依靠植物吸收和富集营养盐，改善水质。但湖库水体水量大，氮磷浓度低于生活污水和工业废水，不宜采用生物移动床或车载移动式水处理系统，更不适合大面积建设景观效果突出、氮磷去除不足的生物浮岛。移动式水质净化系统可将多种物理化学水处理技术进行有机组合，并优化集成到可移动平台上，通过各技术单元的单独或协同作用，对富营养化水体进行治理。本文针对湖库富营养化水体的特点(污染物浓度不高、水量大)和污染特征(氮磷污染、藻类污染)，结合湖库治理不可产生二次污染的实际需求，从现有较为成熟的环境友好型水处理技术中筛选出曝气增氧、填料吸附和微电流电解几项技术，对单项技术如何适应移动平台进行技术改进，并进行技术优化集成，提出一种集微孔曝气、填料吸附和微电流电解位为一体的移动式水质净化平台技术，以期为湖库富营养化水体防治提供新的技术支撑和解决方案。

2 移动式水质净化平台组成及关键技术

2.1 平台组成及工作原理

移动式水质净化平台(图1)由可移动漂浮平台、集成在平台上的水处理单元(吸附单元、微电流电解单元、微孔曝气单元)、水质在线检测单元、指令控制单元及动力推进单元等组成[5]。可移动漂浮平台为船型结构，船体甲板上设计标准化吸附单元和微电流电解单元，可根据目标水体水质特征进行组合和搭配。微孔曝气单元采用环形设计，布置在吸附单元和微电流电解单元下方。水质在线检测单元、指令控制单元和动力推进单元为平台的配套或辅助设施，用于平台运行控制和管理。

图1 移动式水质净化平台示意图

移动式水质净化平台的工作原理为：基于水质在线检测单元的测定结果，判断水质污染特征，搭配组合吸附单元和微电流电解单元，设定曝气单元；通过平台在水域中的移动(根据需要可反复进行)，各处理单元协同作用，实现曝气增氧，改善水体溶解氧供给，强化吸附氮磷等营养物质和微电流抑制藻类生长繁殖等功能；当处理水体的水质检测结果满足要求后，平台进入新的目标水域工作。整个水处理过程中，通过指令控制单元控制微孔曝气单元和微电流电解单元的启闭和工况参数，并通过动力推进单元调控移动式水质净化平台的移动方向和速度。移动式水质净化平台电路连接示意图见图2。

图2 移动式水质净化平台电路连接示意图

2.2 关键技术难点

移动式水质净化平台的实际处理效果取决于微孔曝气单元、吸附单元和微电流电解单元的运行效率。根据移动式水质净化平台的工作原理，有必要通过实验解决如下关键技术难点：

(1) 移动吸附性能及技术参数。针对湖库富营养化水体水质特征，筛选能够高效吸附低浓度氮磷的材料；模拟移动条件，确定优先出的吸附材料的最佳用量、最适原位吸附时间和最长使用寿命。

(2) 微孔曝气性能及技术参数。借鉴定位曝气技术经验，研究用于水中氨氮去除的微孔曝气性能、最佳曝气强度、曝气时间和溶解氧稳定时间等技术参数。

(3) 微电流抑藻性能及技术参数。结合现有微电流灭菌抑藻成果[6]，利用优选出的电极材料，研究微电流电解抑藻效果、有效作用范围；提出微电流电解抑藻的电流密度、电解时间等技术参数。

3 移动式水质净化平台关键技术实验研究

采用取自湖泊的天然水体开展实验研究，水体pH为8.0左右，通过添加氮磷营养盐将水中氨氮和总磷浓度分别控制在3.0 mg/L和0.5 mg/L(劣V类水体)左右。采用移动吸附、微孔曝气和微电流电解3个单元进行水质净化，以相关水质指标满足V类水标准(氨氮低于2.0 mg/L，总磷低于0.2 mg/L)为处理达标。污染物初始浓度以实测为准。

3.1 移动吸附

磷为水体富营养化限制性因子[7]。吸附法适用于处理较宽浓度范围的磷，具有操作简单、处理成本低、效果好等多方面的优点，其关键是选用吸附速率快、吸附容量大的材料。从室内吸附和围隔吸附结果发现，活性氧化铝的磷吸附性能明显优于沸石(含天然、酸改性、离子改性)、锰砂和陶粒。活性氧化铝是一种比表面积大、吸附能力好、强度和化学稳定性好、热稳定性好的固体吸附剂[8]。研究表明活性氧化铝适宜处理高浓度含磷溶液，具有吸附速率快和吸附容量大的优点[9]；但对其吸附去除低浓度磷的研究相对匮乏，活性氧化铝的最佳用量、最适宜的吸附时间和最长使用寿命均不明确。为更好地将活性氧化铝用于移动式水质净化平台，利用相同初始磷浓度溶液，模拟移动条件，研究活性氧化铝的最佳用量、原位最适吸附时间和最长使用寿命。

3.1.1 最佳用量

1，2，4，8，16 g/L活性氧化铝用量条件下，平均磷去除率分别为64%，58%，76%，82%，84%。当活性氧化铝用量达到8 g/L后，继续提高活性氧化铝用量未能有效提高磷去除率。在相同初始磷浓度条件下，溶液中的磷逐渐扩散至活性氧化铝表面，并被内部的铝氧化物吸附[7]；随着活性氧化铝用量增加，溶液中磷浓度因吸附逐渐下降，浓差扩散性能的削弱是导致增加活性氧化铝用量后磷吸附去除性能微弱改善的重要原因。

磷去除率随着活性氧化铝用量增加而增加。单位质量活性氧化铝的磷吸附量随其用量增加呈下降趋势(图3)，1，2，4，8，16 g/L用量条件下单位质量活性氧化铝的磷吸附量分别为0.323，0.145，0.096，0.051，0.026 mg/g。综合考虑磷去除效果和单位质量活性氧化铝的磷吸附量，可选取8 g/L活性氧化铝用于移动式水质净化平台的吸附单元。

图3 单位质量活性氧化铝的磷吸附量

3.1.2 最适原位吸附时间

不同活性氧化铝用量条件下，溶液中磷浓度平均下降速率随时间变化趋势较为一致(图4)，前2 h速率较大，随后降低并趋于稳定，实验结束时，磷浓度下降速率均为0.018 mg/h。活性氧化铝富含铝氧化物，主要通过化学吸附与溶液中的磷快速结合[10]，从实验结果可看出，2 h以内活性氧化铝对磷酸盐吸附效率最高，属最有效吸附。可选取2 h作为移动式水质净化平台内活性氧化铝吸附去除低浓度磷的最适吸附作用时间。

图4 溶液中磷浓度平均下降速率

3.1.3 最长使用寿命

模拟的移动条件下，活性氧化铝低浓度(0.425 mg/L和0.532 mg/L)磷的吸附性能见图5。

图5 不同初始浓度下移动活性氧化铝的磷吸附性能

从图5可看出，随着吸附时间增加，磷吸附去除率逐渐下降，当循环吸附第8次(64 h)时，初始磷浓度0.425 mg/L和0.532 mg/L条件下的活性氧化铝的磷吸附去除率仅为18%和26.61%，接近饱和。由此可见，当初始磷浓度为0.5 mg/L左右时，大约经过8次吸附，活性氧化铝已接近使用寿命，其磷酸盐吸附量为162～181.5 mg/g。当达到这一吸附量时，活性氧化铝的吸附能力明显下降，在低浓度的磷酸盐的水体中甚至可能会出现解吸附的现象[8]。因此，当活性氧化铝达到使用寿命后，需更换氧化铝以防磷的解吸对水体造成二次污染。

3.2 微孔曝气

氨氮是反映水体富营养化程度的重要指标之一，富营养化水体中氨氮质量浓度过高会导致需氧生物死亡造成生态危害[11]。曝气技术比较适合于处理氨氮污染水体[12-13]，通过对目前市场上2种成熟的曝气设备微纳米曝气设备及微孔曝气设备对水体中的氨氮去除效果、处理方式、处理成本分析，发现微孔曝气设备可原位处理、处理水量大、曝气有效作用范围大、能耗相对较低，因此比较适合用于移动水质净化平台。为使微孔曝气技术有效应用于移动式水质净化平台，重点研究了微孔曝气时间、强度及溶解氧作用时间等，具体结果如下：

图6 微孔曝气时间对氨氮去除的影响

图7 微孔曝气强度对氨氮去除的影响

(1) 最佳曝气时间。设定氨氮初始浓度在五类水体之上(3.0 mg/L)，天然水体初始pH=8.01，曝气强度0.5 kg/cm2实验条件下，结果发现微孔曝气对于氨氮具有一定去除效果，连续曝气8 h可去除约15%左右的氨氮(图6)，氨氮的去除效果在曝气4 h时才开始显著增大，因此最佳曝气时间为4 h。

(2) 最佳曝气强度。同等实验条件下，曝气强度对氨氮的去除效率随着曝气强度的增大而增加，1.0 kg/cm2的曝气强度下微孔曝气装置对氨氮的去除效率高于曝气强度为0.5 kg/cm2(23%)及0.2 kg/cm2(11%)的氨氧去除率(图7)。为减少能耗及防止底质的搅动，微孔曝气装置的曝气强度选择0.5 kg/cm2较为合适。

图8 微孔曝气溶解氧变化曲线

(3) 微孔曝气溶解氧有效作用时间。曝气的过程中，可采取间歇曝气的方式进行处理，既减少能耗、节省运行成本。在曝气强度0.5 kg/cm2时，从图8可看出，微孔曝气设备的溶解氧饱和时间约为12 min，曝气后等到溶解氧达到饱和，停止曝气，从停止曝气开始计算，溶解氧从饱和值降低到稳定值的时间约为10 min，建议在移动式净化装置处理氨氮污染水体时，设定微孔曝气装置的启闭时间间隔为10 min。

(4) 提高微孔曝气去除氨氮的方法。微孔曝气单独作用对水体中的氨氮有一定的处理效果，处理过程较为缓慢。通过微孔曝气单元与移动式水质净化平台上的其他关键技术进行耦合，发挥多个单元的协同作用，可大大提高脱氮除磷的效果，同时可缩短处理时间。

3.3 微电流电解

藻类控制是水体富营养化治理的最有效途径。微电流电解采用微小电流将水中的藻电解失活，对处于复苏和生长繁殖初期的藻类(通常藻细胞浓度低)进行生长抑制，预防水华的发生[14]。为使微电流电解抑藻技术有效应用于移动式水质净化平台，在电极比选的基础上研究了电极尺寸和间距、电流密度、电解时间、电极有效作用范围等微电流电解抑藻关键技术参数。

图9 不同阳极和阴极材料对微电流电解抑藻效果的影响

3.3.1 电极参数

采用100 ml细胞密度1×106个/ml藻液，在电极工作面积2.5 cm×5.5 cm，极板间距4 cm，电流密度20 mA/cm2，电解时间10 min条件下比选钌钛、铂钛、不锈钢和铱钛4种阳极。本研究采用680 nm波长处的吸光度值(OD680)来表征藻的生物量。结果发现钌钛阳极抑藻效果最佳，阴极材料影响较小(图9)。微电流电解抑藻的主要原理是产生具有杀菌作用且存在时间较长的活性物质[15]。综合考虑抑藻效果及经济性，建议选取钌钛阳极和不锈钢阴极作为移动式水质净化平台的微电流电解电极材料，电极形状采用板状或网状。

一般来讲，电极材料过小使得工作面积太小，去除效果不佳；过大使得电能消耗过高[16]；电极间距既影响电能消耗也影响抑藻效果。基于已有研究经验[16]，建议选择电极板高度、宽度和间距分别为50,20,2 cm。

3.3.2 电化学参数

采用45 L细胞密度5×104个/mL藻液，设置电极工作面积50 cm×15 cm，极板间距2 cm，开展抑藻实验。在叶绿素荧光参数中，Fv/Fm表征暗适应后的光系统Ⅱ最大量子产量。电化学参数对藻液叶绿素荧光参数Fv/Fm的影响如图10所示。结果发现，抑藻效果随电流密度的增加而提高，当电流密度≥9 mA/cm2时，藻细胞完全失活。因此，适合移动式水质净化平台的微电流电解抑藻的电流密度为9～12 mA/cm2。

图10 电化学参数对藻液叶绿素荧光参数Fv/Fm影响

在电流密度12 mA/cm2条件下观察电解时间对抑藻效果的影响。结果发现，电解时间较短时，藻液未能完全失活；适当延长电解时间可使抑藻效果得到提高(图10)。综合考虑抑藻效果和能耗，建议移动式水质净化平台的微电流电解抑藻的电解时间为2 h。

3.3.3 电极有效作用范围

图11 电解后水体中离电极板不同距离处H2和O2气含量

采用钌钛阳极和不锈钢阴极，在电极工作面积50 cm×15 cm，电极间距2 cm，电流密度12 mA/cm2，电解时间1 h条件下测试电极有效作用范围。结果发现，电解1 h后，距离电极板50 cm处的水体氢氧含量已经降为本底值，H2和O2分别为6 μmol/L和255 μmol/L (图11)。由此可知，在电流密度12 mA/cm2条件下，微电流电解产生的H2和O2可扩散至距电极板40～50 cm处。微电流电解释放活性离子是抑制藻类生长的关键[17]，活性离子的扩散范围即电解抑藻的有效作用范围。考虑到H2,O2和活性离子扩散范围同步，气体扩散速率约为30 cm/min，经过计算，建议移动式水质净化平台的电极组间隔80 cm，移动速度为0.005 m/s。

4 结论和展望

4.1 主要结论

针对湖库富营养化水体相对封闭、缓流和难以异位处理的特点，提出移动式水质净化平台的原位处理技术。通过吸附、曝气及微电流电解等作用，实施脱氮除磷和藻类抑制，实现营养盐削减和藻类繁殖控制的双重目的，提供了一种富营养化水体治理的新思路。若水域面积较大，可将多个移动式水质净化平台进行组合，对水域进行处理。

围绕移动式水质净化平台的组成和技术关键，利用优选活性氧化铝、微孔曝气、钌钛阳极和不锈钢阴极分别开展移动条件下的吸附、曝气和微电流电解实验研究，获得如下重要技术参数：

(1) 在初始0.5 mg/L磷浓度条件下，移动的活性氧化铝吸附磷的最佳用量为8 g/L，最适原位吸附时间为2h，最长吸附使用寿命为64 h。

(2) 在初始3.0 mg/L氨氮浓度条件下，微孔曝气对氨氮水体的最佳处理时间为4 h，最佳曝气强度为0.5 kg/cm2，微孔曝气溶解氧的有效作用时间约为10 min。

(3) 在极板高度50 cm和极间距2 cm条件下，钌钛阳极和不锈钢阴极组成的微电流电解系统最佳电流密度为9～12 mA/cm2，电解时间为2 h，移动速度约0.005 m/s。

4.2 展望

移动式水质净化平台在湖库富营养化水体治理方面具有较大潜力，在完成基本理论分析和关键技术实验研究的基础上，还应从平台的实际应用和功能优化在如下方面继续推进：

关键技术方面，氮的去除主要通过硝化-反硝化，还应进一步研究曝气条件下微生物强化除氮机制和控制条件；湖库等天然水体磷浓度较低，材料磷吸附重度有限且易饱和，有必要开展磷吸附饱和材料的再生研究，提高材料的重复利用率，并将再生过程中解吸的磷回收利用。此外，还应进一步提高材料的磷富集能力，探讨磷富集和吸附饱和的材料直接用作肥料的可行性，提高资源综合利用效率。关于抑藻，还应根据电解过程中的有效活性物质成分分析，进一步优化电极选择、布置和工作条件。

平台应用方面，还应深入探讨水质净化单元(吸附、曝气和微电流电解)间的协同效应和优化组合方案，进一步提升移动式水质净化平台的处理效率；研究水质净化单元、指令控制单元、水质在线检测单元在移动净化过程中的工作模式，基于软件实现水质检测、水质处理和平台运行的信息化管理；最后，进行关键技术集成和原型试验，开展各功能单元的标准化模块设计，同时进行移动式水质净化系统的成本与效率分析，为后续的实际应用和推广奠定基础。

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